EP3704790A1 - Method for determining the rotor position of synchronously running electric machines without a mechanical sensor - Google Patents

Method for determining the rotor position of synchronously running electric machines without a mechanical sensor

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EP3704790A1
EP3704790A1 EP18796823.5A EP18796823A EP3704790A1 EP 3704790 A1 EP3704790 A1 EP 3704790A1 EP 18796823 A EP18796823 A EP 18796823A EP 3704790 A1 EP3704790 A1 EP 3704790A1
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EP
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current
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rotor position
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rotor
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    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/24—Vector control not involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • H02P21/26—Rotor flux based control
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P27/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage
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    • H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters
    • H02P27/08—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using dc to ac converters or inverters with pulse width modulation
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    • H02P6/16—Circuit arrangements for detecting position
    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/185—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using inductance sensing, e.g. pulse excitation

Definitions

  • the invention relates to a method for the encoderless determination of the rotor position of a synchronously running three-phase machine and a circuit arrangement therefor, as described in claims 1 and 9
  • Synchronous electrical machines such as permanent magnet synchronous machines, synchronous reluctance machines, electrically excited synchronous machines, etc. require the high-quality field-oriented control usually the information about the
  • voltage-space pointers are six (six) active space-phasors of equal length (which are proportional to the DC-link voltage of the inverter), each offset by 60 degrees (electrical), and two (two)
  • Half-bridges of the three-phase inverter are at the same potential, ie either positive or negative DC link potential.
  • Pulse patterns depend to some extent on the strand inductances, which in turn depend on the rotor position due to geometric axisiness (reluctance, due to different magnetic conductivities as a function of the rotor position) and / or due to saturation effects in the magnetically conductive material in the rotor and stator.
  • a disadvantage of the method for the encoderless determination of the rotor position, especially at low speeds was previously that measurement pulses or measurement sequences are impressed that cause acoustic emissions in the form of whistling or noise and also interfere with the current control.
  • inverter current regulations are known in which exclusively active in three different room pointer directions active converter states without
  • the object of the invention is to provide a method for encoderless rotor position determination up to and including standstill and a circuit arrangement for this, which avoids these disadvantages and at the same time has a simple structure.
  • known co-ordinate systems are, for example, the stator-fixed, the rotor-fixed or the rotating field-fixed coordinate system).
  • the inventive method for the encoderless determination of the rotor position of a synchronously running three-phase machine is characterized in that the detected current increases are transformed in a computer unit in a measuring direction fixed coordinate system and further in symmetrical components and at least one of these current increases calculated symmetrical components, which with double electrical speed , Simple electrical speed and zero speed circulating, is used for rotor position determination, wherein at least the working up to zero speed and rotating at twice the electrical speed symmetrical
  • Component evaluated and from this the electrical rotor position of the machine is determined.
  • Ausmaschine is found, that is only because of measurements of the currents for the purpose of determining current increases, as it is known from the prior art, for example via measuring resistors, the converter-fed machine is controlled and controlled.
  • a simple mechanical construction of the machine is possible because no positioning of position sensors or encoders is needed, which would also need to be calibrated accordingly.
  • the basic idea is to use a special PWM that only uses active voltage space vectors and, in addition to the state of the art, to determine the
  • Voltage space pointer specified which uses only active space pointers. So no zero space pointer is used as with usual PWM patterns. Going beyond this prior art, it is shown in this invention how to evaluate such a voltage sequence using only active voltage space pointers, in addition to approximating the voltage space vector desired by the current control to detect current increases occurring during the active voltage space hands are metrologically accessible to additionally determine information about the current rotor position.
  • the current increases in the base points of at least two half-bridges of the converter are detected. This is advantageous if the evaluating arithmetic unit is connected to the DC link in terms of potential, because it can be used to carry out a potential-based current measurement using inexpensive measuring technology.
  • a high-quality evaluation is shown in a further embodiment of the invention.
  • the component rotating at a single electrical speed is also evaluated in addition to the component rotating at twice the electrical speed.
  • Embodiment is that the rotor position is calculated via two channels, wherein the information channel that evaluates the rotating at a single rotor speed component, a signal that contains improved information with increasing speed.
  • the information channel which evaluates the component rotating at twice the rotor speed, delivers a quality which is largely constant over the speed.
  • In one embodiment of the invention is an evaluation in case of incomplete detection of the current increases, preferably exclusive detection of the measuring direction parallel Current increase space pointer components made. This is the case, for example, when the current measurement in the DC link is detected via a single measuring element.
  • the advantage of this is that a very cost-effective solution with good accuracy of the rotor position detection is possible.
  • the variables determined according to the rules of the symmetrical components are fed to a computing unit which derive at least one of the state variables "rotor position", "rotor speed”,
  • the average inverse differential inductance index is used for monitoring the machine condition with regard to impermissible impedance ratios. This can, for example
  • Winding short circuits, line interruptions, etc. are detected very quickly and appropriate measures are initiated in good time.
  • the object of the invention is achieved by a circuit arrangement in which the current detection unit is connected to a current and Stroma numblesausêt, which is connected on the one hand with a transformation unit for the transformation of current increases in the measuring direction fixed coordinate system and on the other hand with a
  • Component evaluated and from the electrical rotor position of the machine (4) is determined, so that no position sensors for determining the rotor position are needed, which costs and especially error-prone components can be saved.
  • an embodiment is advantageous, in which the evaluation unit is connected to the transfer of the inverse inductance index to the monitoring unit. As a result, an additional engine monitoring in a simple manner possible.
  • the circuit arrangement according to the invention is characterized in that there is a synchronously running three-phase machine fed by a converter, wherein the system is designed with a current measurement in one of the said variants and the Current measurements are fed to a computer that performs the evaluations according to the theory of symmetrical components and as a result at least the rotor position, often the rotor speed and possibly a load torque estimate or other state variables for field-oriented control, which on the computer system
  • Fig. 1 is a circuit diagram for the encoderless determination of the rotor position of a synchronously running three-phase machine, in a simplified, schematic representation.
  • a converter equipped with a DC link capacitor 2 with DC link voltage between the connection points 3a and 3b is connected via a preferably three-phase inverter part 1 to a synchronously running electric machine 4.
  • a current detection unit 5 supplies the detected currents to a current and current rise evaluation 6 in a computing unit 7, which on the one hand the
  • Transformation unit 11 transforms the current increases 10 in the measuring direction fixed coordinate system and forwards them to an evaluation unit 12, which evaluates according to the theory of symmetrical components at least one of the components which rotate at twice electrical speed, with simple electrical speed and zero speed.
  • the determined angle information is, preferably via a
  • the field-oriented control 20 is provided. On the basis of its setpoint values (for example speed, torque), this field-oriented control 20 calculates current setpoint values 21 according to the implemented control algorithm and supplies these as setpoint values to the current control 9, which calculates therefrom a setpoint voltage space pointer 22 using the evaluated currents 8. This is implemented in the described PWM unit 23 in a pulse pattern, which uses only active voltage space pointer and controls the Ha lbmaschinen the inverter part 1 via control commands 24.
  • setpoint values for example speed, torque
  • the machine 4 is designed without a rotary encoder or position sensor and the control and regulation takes place only via the current detection. Any existing voltage measurement can optionally be used to improve the accuracy of the evaluation. As a result, a very inexpensive and simple construction for the machine 4 is achieved.
  • a method for determining the rotor position of a synchronously running three-phase machine in FIG. 1, which is supplied by a converter.
  • the detected current increases 10 are in a measuring direction fixed
  • Coordinate system transformed and evaluated according to the theory of symmetrical components at least one of the calculated from these current increases 10 components.
  • the components run with double electrical speed, simple electrical speed and zero speed.
  • the working up to zero speed and rotating at twice the electrical speed component and therefrom by known methods of mathematics the electrical rotor position is determined
  • Coordinate system ⁇ , ⁇ a pointer triplet offset by 120 ° each. If one represents the three pointers in a "measuring direction fixed coordinate system" (real axis of the measuring direction fixed coordinate system in the direction of the respective measuring voltage space vector), then the space vector shown ⁇ uu, ⁇ , ⁇ ww form for the case "machine 4 at a standstill, no Achstechnik and no resistance "three parallel, equally long hands in the real axis. If the machine 4 were at a standstill and had an axis (smaller inductance of the stator coils, for example, in the d-direction of the rotor (d-axis parallel to the axis
  • Stator coils irrespective of the rotor position
  • a rotor magnetisation in the case of permanent magnet-excited and electrically excited machines
  • a rotor-oriented operating current over the stator resistance in the case of permanent-magnet excited, electrically excited and reluctant machines
  • the three space vectors ⁇ uu, ⁇ , ⁇ ww would have an additional, approximately cosinusoidally varying length with the simple rotor position.
  • Rotor position 2 ⁇ usually still to be corrected by a metrologically or by a model to be determined load and speed-dependent correction term
  • the amount of the complex EMF space vector ⁇ due to the induced voltage decreases with decreasing speed, and therefore, the complex EMF space vector ⁇ can be evaluated preferably at higher speeds.
  • the mean differential inductance factor ⁇ can be used to monitor the
  • Parameter constellations such as for the detection of Windungs Kurz Whyn, winding interruptions, etc. are used.
  • the measured current rise space pointers have in the measuring direction fixed
  • equation GL1 provides:
  • the argument arg ⁇ lNF) can be calculated by arctangent formation atan (ImßlNF ⁇ / ReßlNF ⁇ ) and used in equation (4) to calculate the double rotor angle.
  • equation GL2 provides:
  • the argument arg ( ⁇ EMK) can be calculated by arctangent formation atan ( ⁇ ⁇ / Re ⁇ EMK ⁇ ) and used in equation (5) for the calculation of the simple rotor angle.
  • Angular velocity considered circumferential cosine or sinusoidal functions which are defined via flow- and speed-dependent parameterization. This can be determined for example by a reference measurement. This allows a good detection of the double rotor angle even with current or current increase detection only in the DC link.
  • the invention determines the rotor position of a converter fed synchronously running three-phase machine without expensive and failure-prone mechanical rotary encoder, wherein for the current control exclusively in three different
  • Room zoom directions acting active converter states are used without short circuit conditions.
  • current increases of the phase currents are detected during these active converter states and transformed into a measuring direction-fixed coordinate system.
  • Measuring direction fixed means that the current voltage regulation pointer preset by the current regulation is simultaneously used as a measurement space vector and forms the basis for a coordinate system which has its real axis in just this measurement direction.
  • Measuring pulses are present, which allow an evaluation in the entire operating range including standstill.
  • the detection of the current increases 10 can take place in different topologies.
  • the current increases 10 are detected at least in two phases between the output of the half bridges and the motor terminal.
  • This arrangement offers the advantage that many industrial inverters have such current detection.
  • Inverter 1 also a full bridge can be used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for the sensor-free determination of the rotor position of a synchronously running three-phase machine (4), which is supplied via an inverter (3), wherein active inverter states excluding short circuit states acting in different space vector directions are used for current control and current rises (10) of the phase currents are detected during said active inverter states. The current rises (10) detected are transformed in a computing unit (7) into a fixed measuring direction coordinate system and further into symmetrical components and at least one of the symmetrical components computed from said current rises (10), which components rotate at double the electric rotational speed, single electric rotational speed and at zero speed, is evaluated, wherein at least the symmetrical components functioning down to zero speed and rotating at double electric rotational speed are evaluated and the electrical rotor position of the machine (4) is determined therefrom. The invention further comprises a circuit arrangement for the method.

Description

„Verfahren zur Ermittlung der Rotorposition von synchron laufenden elektrischen Maschinen ohne mechanischen Geber" "Method for determining the rotor position of synchronously running electrical machines without mechanical encoders"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drehgeberlosen Ermittlung der Rotorposition einer synchron laufenden Drehstrommaschine und eine Schaltungsanordnung hierfür, wie sie in den Ansprüchen 1 und 9 beschrieben sind The invention relates to a method for the encoderless determination of the rotor position of a synchronously running three-phase machine and a circuit arrangement therefor, as described in claims 1 and 9
Synchron laufende elektrische Maschinen, wie Permanentmagnet-Synchronmaschinen, Synchron-Reluktanzmaschinen, elektrisch erregte Synchronmaschinen etc. benötigen zur hochwertigen feldorientierten Regelung üblicherweise die Information über die Synchronous electrical machines, such as permanent magnet synchronous machines, synchronous reluctance machines, electrically excited synchronous machines, etc. require the high-quality field-oriented control usually the information about the
Rotorposition, um einen winkel- und betragsmäßig geeigneten Stromraumzeiger in die von der feldorientierten Regelung vorgebbaren Richtung mittels Umrichter über Rotor position to an angle and magnitude suitable current space pointer in the predeterminable by the field-oriented control direction by means of inverter over
stromeinprägende Methoden gemäß dem Stand der Technik einzuprägen, wobei die der feldorientierten Regelung unterlagerte Stromregelung einen Spannungsraumzeiger berechnet, der unter Verwendung einer Kombination von mittels Umrichter darstellbaren Spannungsraumzeigern näherungsweise eingestellt wird. Die darstellbaren imprint current-impressing methods according to the prior art, wherein the power control subordinate to the field-oriented control calculates a voltage space pointer, which is approximately adjusted using a combination of means by means of inverter voltage space pointers. The representable
Spannungsraumzeiger sind beispielsweise im Falle eines dreisträngigen Umrichters 6 (sechs) aktive Raumzeiger mit gleicher Länge (die proportional zu der Zwischenkreisspannung des Umrichters sind), und jeweils um 60 Grad (elektrisch) versetzt sind, sowie 2 (zwei) For example, in the case of a three-phase inverter, voltage-space pointers are six (six) active space-phasors of equal length (which are proportional to the DC-link voltage of the inverter), each offset by 60 degrees (electrical), and two (two)
Nullraumzeiger, die die Länge Null aufweisen. Letztere treten auf, wenn alle drei Null space pointers that are zero in length. The latter occur when all three
Halbbrücken des dreisträngigen Umrichters auf gleichem Potenzial liegen, also entweder auf positivem oder auf negativem Zwischenkreispotenzial. Die Kombination solcher Half-bridges of the three-phase inverter are at the same potential, ie either positive or negative DC link potential. The combination of such
Spannungsraumzeiger, die sich üblicherweise nach Ablauf einer gewissen Zeit wiederholen, wird in der Literatur PWM (Pulsweitenmodulation) genannt. Klassische PWM-Verfahren verwenden drei der zuvor genannten darstellbaren Spannungsraumzeiger, die in der Umgebung des von der Regelung gewünschten Spannungsraumzeigers liegen. Dies sind der rechte und linke benachbarte aktive Raumzeiger sowie ein N ullraumzeiger. Weiters ist bekannt, dass die Stranginduktivitäten der genannten Maschinen in Abhängigkeit von der Rotorposition schwanken. Dies wurde bereits zur Rotorpositionserfassung ohne Drehgeber herangezogen. Beispielsweise ist aus dem Stand der Technik (z.B. [ Schrödl,M. : „Sensorless Control of A.C. Machines", VDI Fortschrittberichte, Reihe 21, Nr. 117, VDI-Verlag 1992], oder [Rajashekara, K. et al.„Sensorless Control of AC Motor Drives", I EEE Press, Piscataway, USA, 1996, ISBN 0-7803-1046-2]) bekannt, dass die Stromanstiege im Stress space pointers, which usually repeat after a certain time, is called in the literature PWM (Pulse Width Modulation). Classic PWM methods use three of the aforementioned representable voltage space pointers that are in the vicinity of the voltage space vector desired by the controller. These are the right and left adjacent active space pointers and a zero space pointer. Furthermore, it is known that the strand inductances of said machines vary depending on the rotor position. This was already used for rotor position detection without encoder. For example, the prior art (eg [Schrödl, M.: "Sensorless Control of AC Machines", VDI Progress Reports, Series 21, No. 117, VDI-Verlag 1992], or [Rajashekara, K. et al Control of AC Motor Drives ", I EEE Press, Piscataway, USA, 1996, ISBN 0-7803-1046-2]) announced that the current increases in
Pulsmuster in gewissem Ausmaß von den Stranginduktivitäten abhängen, die ihrerseits aufgrund von geometrischer Achsigkeit (Reluktanz, durch unterschiedliche magnetische Leitwerte in Abhängigkeit von der Rotorposition) und/oder durch Sättigungseffekte im magnetisch leitfähigen Material in Rotor und Stator von der Rotorposition abhängen. Nachteilig an den Verfahren zur drehgeberlosen Ermittlung der Rotorposition speziell bei kleinen Drehzahlen war bisher, dass Messimpulse oder Messsequenzen eingeprägt werden, die akustische Abstrahlungen in Form von Pfeifen oder Rauschen hervorrufen und zusätzlich die Stromregelung stören.  Pulse patterns depend to some extent on the strand inductances, which in turn depend on the rotor position due to geometric axisiness (reluctance, due to different magnetic conductivities as a function of the rotor position) and / or due to saturation effects in the magnetically conductive material in the rotor and stator. A disadvantage of the method for the encoderless determination of the rotor position, especially at low speeds was previously that measurement pulses or measurement sequences are impressed that cause acoustic emissions in the form of whistling or noise and also interfere with the current control.
Grundsätzlich sind Umrichter-Stromregelungen bekannt, bei denen ausschließlich in drei unterschiedliche Raumzeigerrichtungen wirkende aktive Umrichterzustände ohne In principle, inverter current regulations are known in which exclusively active in three different room pointer directions active converter states without
Kurzschlusszustände zur näherungsweisen Einstellung des von der Stromregelung vorgegebenen Spannungsraumzeigers verwendet werden. Nachteilig ist hierbei, dass diese Pulsmuster bisher nur zum Zwecke der Stromregelung verwendet werden konnten und somit für hochwertige Regelungen weiterhin Drehgeber zur Erfassung der Rotorposition nötig waren. Short circuit conditions are used for approximate adjustment of the voltage space vector specified by the current regulation. The disadvantage here is that these pulse patterns could previously be used only for the purpose of current control and thus for high-quality controls continue to encoder for detecting the rotor position were needed.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur drehgeberlosen Rotorpositionsermittlung bis einschließlich Stillstand und eine Schaltungsanordnung hierfür zu schaffen, das diese Nachteile vermeidet und gleichzeitig einen einfachen Aufbau aufweist. DIE AUFGABE WIRD DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST. The object of the invention is to provide a method for encoderless rotor position determination up to and including standstill and a circuit arrangement for this, which avoids these disadvantages and at the same time has a simple structure. THE TASK IS SOLVED BY THE INVENTION.
In der Erfindung wird erstmalig die z.B. für Netzspannungsanalysen verwendete Theorie der Symmetrischen Komponenten in einem völlig neuen Anwendungsfeld, nämlich zur Analyse und Auswertung von umrichterbedingten Stromanstiegsverläufen im Hinblick auf In the invention, for the first time, e.g. Theory of symmetrical components used in grid voltage analyzes in a completely new field of application, namely for the analysis and evaluation of converter-induced current increase characteristics with regard to
Rotorpositionsauswertung aus Induktivitätsschwankungen unter Berücksichtigung von induzierten Spannungen angewendet. Daraus ergeben sich überraschende Möglichkeiten und Vorteile, die bisher nicht bekannt waren. Die Anwendung erfordert die Einführung eines neuen, bisher nicht bekannten Koordinatensystems in der komplexen Raumzeigerebene, das mit dem neuen technischen Begriff„Messrichtungsfestes Koordinatensystem" bezeichnet wird. (Bekannte bisher verwendete Koordinatensysteme sind z.B. das statorfeste, das rotorfeste oder das drehfeldfeste Koordinatensystem).  Rotor position evaluation from inductance fluctuations, taking into account induced voltages. This results in surprising possibilities and advantages that were previously unknown. The application requires the introduction of a new, previously unknown coordinate system in the complex space pointer plane, which is designated by the new technical term "measuring direction-fixed coordinate system." (Known co-ordinate systems are, for example, the stator-fixed, the rotor-fixed or the rotating field-fixed coordinate system).
Das erfindungsgemäße Verfahren zur drehgeberlosen Ermittlung der Rotorposition einer synchron laufenden Drehstrommaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Stromanstiege in einer Rechnereinheit in ein messrichtungsfestes Koordinatensystem und weiter in symmetrischen Komponenten transformiert werden und zumindest eine der aus diesen Stromanstiegen berechneten symmetrischen Komponenten, welche mit doppelter elektrischer Drehzahl, einfacher elektrischer Drehzahl und mit Drehzahl Null umlaufen, zur Rotorpositionsbestimmung herangezogen wird, wobei zumindest die bis Drehzahl Null funktionierende und mit doppelter elektrischer Drehzahl umlaufende symmetrische The inventive method for the encoderless determination of the rotor position of a synchronously running three-phase machine is characterized in that the detected current increases are transformed in a computer unit in a measuring direction fixed coordinate system and further in symmetrical components and at least one of these current increases calculated symmetrical components, which with double electrical speed , Simple electrical speed and zero speed circulating, is used for rotor position determination, wherein at least the working up to zero speed and rotating at twice the electrical speed symmetrical
Komponente ausgewertet und daraus die elektrische Rotorposition der Maschine bestimmt wird. Component evaluated and from this the electrical rotor position of the machine is determined.
Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die Verwendung von vorzugsweise drei aktiven Zeigen nämlich bis zur Drehzahl Null ausreichend lange Messzeiten zur Bestimmung von The advantage here is that by using preferably three active show namely to zero speed sufficiently long measurement times for the determination of
Stromanstiegen generiert werden, wobei diese Information erfindungsgemäß zur Current increases are generated, this information according to the invention for
hochwertigen und störgeräuschlosen Bestimmung der Rotorposition genutzt wird, und damit ohne teure und ausfallsanfällige mechanische Drehgeber bzw. Sensoren das high-quality and noiseless determination of the rotor position is used, and thus without expensive and failure-prone mechanical rotary encoder or sensors
Auslangen gefunden wird, d.h., dass nur aufgrund von Messungen der Ströme zum Zwecke der Bestimmung von Stromanstiegen, wie es aus dem Stand der Technik beispielsweise über Messwiderstände bekannt ist, die umrichtergespeiste Maschine geregelt und gesteuert wird. Somit wird auch ein einfacher mechanischer Aufbau der Maschine möglich, da keine Positionierung von Positionssensoren bzw. Drehgebern benötigt wird, die auch noch entsprechend kalibriert werden müssten. Auslangen is found, that is only because of measurements of the currents for the purpose of determining current increases, as it is known from the prior art, for example via measuring resistors, the converter-fed machine is controlled and controlled. Thus, a simple mechanical construction of the machine is possible because no positioning of position sensors or encoders is needed, which would also need to be calibrated accordingly.
Grundidee dabei ist, eine spezielle PWM zu verwenden, die nur aktive Spannungsraumzeiger verwendet und diese, über den Stand der Technik hinausgehend, zur Ermittlung der The basic idea is to use a special PWM that only uses active voltage space vectors and, in addition to the state of the art, to determine the
Rotorposition durch Auswertung der Stromanstiege innerhalb der PWM heranzuziehen, ohne dass zusätzliche Messimpulse oder Messsequenzen benötigt werden und die Rotor position by evaluating the current increases within the PWM, without additional measurement pulses or measurement sequences are required and the
Stromregelung nicht gestört wird. Der Vorteil dabei ist, dass dadurch keine zusätzlichen akustischen Störungen verursacht werden. Eine PWM, die keine Nullraumzeiger verwendet, ist in [Öst. Patent AT 503.602B1„Verfahren und Schaltungsanordnung zur näherungsweisen Einstellung eines Spannungsraumzeigers"] (/1/) beschrieben. Dabei ist ein Verfahren zur näherungsweisen Einstellung des Current control is not disturbed. The advantage of this is that it causes no additional acoustic interference. A PWM that does not use null space pointers is in [Este. Patent AT 503.602B1 "Method and Circuitry for Approximately Setting a Volumetric Space Pointer"] (/ 1 /), which is a method of approximating the
Spannungsraumzeigers angegeben, das ausschließlich aktive Raumzeiger verwendet. Es wird also kein Nullraumzeiger wie bei üblichen PWM-Mustern verwendet. Über diesen Stand der Technik hinausgehend, wird in dieser Erfindung gezeigt, wie eine solche Spannungssequenz unter ausschließlicher Verwendung von aktiven Spannungsraumzeigern ausgewertet werden kann, um neben der näherungsweisen Einstellung des von der Stromregelung gewünschten Spannungsraumzeigers unter Erfassung von Stromanstiegen, die während der aktiven Spannungsraumzeiger auftreten und messtechnisch zugänglich sind, zusätzlich Information über die aktuelle Rotorposition zu ermitteln. Voltage space pointer specified, which uses only active space pointers. So no zero space pointer is used as with usual PWM patterns. Going beyond this prior art, it is shown in this invention how to evaluate such a voltage sequence using only active voltage space pointers, in addition to approximating the voltage space vector desired by the current control to detect current increases occurring during the active voltage space hands are metrologically accessible to additionally determine information about the current rotor position.
Durch die Kombination von vorzugsweise drei aktiven Zeigern besteht der Vorteil, dass bei kleinen resultierenden Spannungsaussteuergraden, wie sie vor allem im Tiefdrehzahlbereich auftreten, die Zeitdauer der aktiven Zeiger so lange bleibt, dass Stromanstiegsauswertungen mit guter Genauigkeit möglich sind. Dies ist bei klassischen PWM-Verfahren bei kleinen Spannungsaussteuergraden nicht möglich. Speziell sind in der gegenständlichen Erfindung bei Aussteuergrad„Null" (keine Spannung im Mittel über eine PWM-Periode) alle drei beteiligten aktiven Zeiger (z.B. u+, v+, w+ oder u-, v-, w-) gleich lang anliegend und sehr gut im Hinblick auf Stromanstiegsauswertung auswertbar. In /l/ ist angegeben, wie aus einem gewünschten Spannungsraumzeiger, der z.B. aus der Stromregelung als Regelgröße berechnet wird, die Einschaltzeiten der Zeiger u+, v+, w+ (bzw. alternativ u-, v-, w-) dieser speziellen PWM ermittelt werden können. Die Erfassung der Stromanstiege kann in verschiedenen Topologien erfolgen. Beispielsweise werden in einer Ausgestaltung der Erfindung die Stromanstiege zumindest in zwei Phasen zwischen dem Ausgang der Halbbrücken und dem Motoranschluss erfasst. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass sehr viele I ndustrieumrichter eine derartige Stromerfassung aufweisen. By combining preferably three active hands, there is the advantage that with small resulting Spannungsaussteuergraden, as they occur especially in the low-speed range, the duration of the active pointer remains so long that current increase evaluations are possible with good accuracy. This is not possible with classical PWM methods at low voltage output levels. Specifically, in the present invention at Aussteuergrad "zero" (no voltage on average over a PWM period) all three active pointers involved (eg, u +, v +, w + or u-, v-, w-) equal length and very good In / l / it is specified how the switch-on times of the pointers u +, v +, w + (or alternatively u-, v-, w-) can be calculated from a desired voltage-space vector, eg calculated from the current regulation. ) of this particular PWM can be determined. The recording of the current increases can be done in different topologies. For example, in one embodiment of the invention, the current increases are detected at least in two phases between the output of the half-bridges and the motor terminal. This arrangement offers the advantage that many industrial converters have such current detection.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die Stromanstiege in den Fußpunkten von mindestens zwei Halbbrücken des Umrichters erfasst. Dies ist von Vorteil, wenn die auswertende Recheneinheit potenzialmäßig am Zwischenkreis angebunden ist, weil dadurch eine potenzialbehaftete Strommessung mit preiswerter Messtechnik eingesetzt werden kann. In a further embodiment of the invention, the current increases in the base points of at least two half-bridges of the converter are detected. This is advantageous if the evaluating arithmetic unit is connected to the DC link in terms of potential, because it can be used to carry out a potential-based current measurement using inexpensive measuring technology.
Ist eine besonders preiswerte Realisierung, wie etwa bei Anwendungen mit hohen Is a particularly inexpensive implementation, such as in applications with high
Stückzahlen, nötig, können in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Stromanstiege im Zwischenkreis des Umrichters erfasst werden. Numbers, necessary, the current increases in the DC link of the inverter can be detected in a further embodiment of the invention.
Eine hochwertige Auswertung ist in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung gezeigt. Dabei wird unter Verwendung der Theorie der Symmetrischen Komponenten zusätzlich zur mit doppelter elektrischer Drehzahl umlaufenden Komponente auch die mit einfacher elektrischer Drehzahl umlaufende Komponente ausgewertet. Der Vorteil bei dieser A high-quality evaluation is shown in a further embodiment of the invention. Using the theory of symmetrical components, the component rotating at a single electrical speed is also evaluated in addition to the component rotating at twice the electrical speed. The advantage with this
Ausgestaltung ist, dass die Rotorposition über zwei Kanäle berechnet wird, wobei der Informationskanal, der die mit einfacher Rotordrehzahl umlaufende Komponente auswertet, ein Signal liefert, das mit steigender Drehzahl verbesserte Information enthält. Wie erwähnt, liefert der Informationskanal, der die mit doppelter Rotordrehzahl umlaufende Komponente auswertet, eine über die Drehzahl weitgehend konstante Qualität. Embodiment is that the rotor position is calculated via two channels, wherein the information channel that evaluates the rotating at a single rotor speed component, a signal that contains improved information with increasing speed. As mentioned, the information channel, which evaluates the component rotating at twice the rotor speed, delivers a quality which is largely constant over the speed.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Auswertung bei unvollständiger Erfassung der Stromanstiege, vorzugsweise ausschließlicher Erfassung der messrichtungsparallelen Stromanstiegsraumzeigerkomponenten vorgenommen. Dies ist etwa der Fall, wenn die Strommessung im Zwischenkreis über ein einziges Messelement erfasst wird. Dabei wird die Wirkung der nicht erfassten nicht-messrichtungsparallelen Stromanstiegsraumzeiger- komponenten durch eine Ersatzfunktion, welche die mit einfacher Rotordrehzahl umlaufende ström- und drehzahlabhängige symmetrische Komponente nachbildet, näherungsweise berücksichtigt. Der Vorteil dabei ist, dass eine sehr kostengünstige Lösung mit guter Genauigkeit der Rotorpositionserfassung möglich ist. In one embodiment of the invention is an evaluation in case of incomplete detection of the current increases, preferably exclusive detection of the measuring direction parallel Current increase space pointer components made. This is the case, for example, when the current measurement in the DC link is detected via a single measuring element. In this case, the effect of the unrecognized non-masstrichtungsparallelen Stromstiegsraumzeiger- components by an equivalent function, which simulates the circulating with a simple rotor speed flow and speed-dependent symmetrical component, approximately taken into account. The advantage of this is that a very cost-effective solution with good accuracy of the rotor position detection is possible.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die nach den Regeln der symmetrischen Komponenten ermittelten Größen einer Recheneinheit zugeführt werden, die daraus zumindest eine der Zustandsgrößen„Rotorlage",„Rotordrehzahl", According to a further embodiment of the invention, the variables determined according to the rules of the symmetrical components are fed to a computing unit which derive at least one of the state variables "rotor position", "rotor speed",
„Rotorbeschleunigung" und/oder„Lastmoment" errechnet. Damit wird es möglich, neben einer Verbesserung der Rotorlage durch das Zustandsmodell auch die Rotordrehzahl und optional das Lastmoment und/oder die Winkelbeschleunigung der Motorwelle mit guter Dynamik zu ermitteln. "Rotor acceleration" and / or "load torque" calculated. This makes it possible, in addition to an improvement of the rotor position by the state model, to determine the rotor speed and optionally the load torque and / or the angular acceleration of the motor shaft with good dynamics.
Schließlich wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die mittlere inverse differenzielle Induktivitätskennzahl zur Überwachung des Maschinenzustandes im Hinblick auf unzulässige Impedanzverhältnisse verwendet. Damit können beispielsweise Finally, in a further embodiment of the invention, the average inverse differential inductance index is used for monitoring the machine condition with regard to impermissible impedance ratios. This can, for example
Windungskurzschlüsse, Leitungsunterbrechungen etc. sehr rasch erkannt und geeignete Maßnahmen rechtzeitig eingeleitet werden. Winding short circuits, line interruptions, etc. are detected very quickly and appropriate measures are initiated in good time.
Weiters wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Schaltungsanordnung gelöst, bei der die Stromerfassungseinheit mit einer Strom- und Stroma nstiegsauswertung verbunden ist, die einerseits mit einer Transformationseinheit zur Transformation von Stromanstiegen ins messrichtungsfeste Koordinatensystem verbunden ist und andererseits mit einer Furthermore, the object of the invention is achieved by a circuit arrangement in which the current detection unit is connected to a current and Stroma nstiegsauswertung, which is connected on the one hand with a transformation unit for the transformation of current increases in the measuring direction fixed coordinate system and on the other hand with a
Stromregelung zur Übergabe der ausgewerteten Ströme verbunden ist, und dass die Transformationseinheit mit einer Auswertungseinheit zur Auswertung symmetrischer Komponenten verbunden ist, die wiederum mit einem Zustandsmodell zur Übergabe des doppelten Drehwinkels und gegebenenfalls zusätzlich eines einfachen Drehwinkels gekoppelt ist und das Zustandsmodell zur Weiterleitung eines Drehwinkel, einer Drehzahl und optional einer Größe mit einer feldorientierten Regelung verbunden ist, worauf die Regelung unter Weitergabe von Stromsollwerten mit der Stromregelung verbunden ist und die Stromregelung mit einer ausschließlich aktive Spannungsraumzeiger nützende PWM- Einheit, die zur Verarbeitung des vom Stromregler übergebenden Sollspannungsraumzeigers 22 ausgebildet ist, verbunden ist, und diese mit dem Wechselrichterteil zur Steuerung verbunden ist. Current control for the transfer of the evaluated streams is connected, and that the transformation unit is connected to an evaluation unit for the evaluation of symmetrical components, which in turn with a state model for transferring the double rotation angle and optionally also a simple rotation angle is coupled and the state model for forwarding a rotation angle, a rotational speed and optionally a size with a field-oriented control is connected, whereupon the control is connected to pass current reference values with the current control and the current control with a purely active voltage space pointers useful PWM unit, the Processing of the set by the current regulator Sollspannungsraumze 22 is connected, and this is connected to the inverter part for control.
Vorteilhaft ist hierbei, dass dadurch ein einfacher und kostengünstiger Aufbau erreicht wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass aus den Stromanstiegen symmetrische Komponenten berechnet werden, welche mit doppelter elektrischer Drehzahl, einfacher elektrischer Drehzahl und mit Drehzahl Null umlaufen, wobei zumindest die bis Drehzahl Null funktionierende und mit doppelter elektrischer Drehzahl umlaufende symmetrische It is advantageous hereby that a simple and cost-effective construction is achieved. Another advantage is that from the current increases symmetric components are calculated, which rotate at twice the electrical speed, simple electrical speed and zero speed, with at least the working up to zero speed and rotating at twice the electrical speed symmetrical
Komponente ausgewertet und daraus die elektrische Rotorposition der Maschine (4) bestimmt wird, sodass keinerlei Positionssensoren für die Ermittlung der Rotorposition benötigt werden, wodurch Kosten und vor allem fehleranfällige Bauelemente eingespart werden können. Component evaluated and from the electrical rotor position of the machine (4) is determined, so that no position sensors for determining the rotor position are needed, which costs and especially error-prone components can be saved.
Schließlich ist eine Ausbildung von Vorteil, bei der die Auswertungseinheit zur Übergabe der inversen Induktivitätskennzahl mit der Überwachungseinheit verbunden ist. Dadurch wird eine zusätzliche Motorüberwachung auf einfache Art und Weise möglich. Finally, an embodiment is advantageous, in which the evaluation unit is connected to the transfer of the inverse inductance index to the monitoring unit. As a result, an additional engine monitoring in a simple manner possible.
Hinzuweisen ist, dass natürlich beispielsweise die Strommessung in verschiedenen Varianten realisiert werden kann, wie sie in den Patentansprüchen (2) bis (4) angegeben sind. It should be noted that, of course, for example, the current measurement can be realized in different variants, as indicated in the claims (2) to (4).
DIE AUFGABE WIRD DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST. THE TASK IS SOLVED BY THE INVENTION.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine über einen Umrichter gespeiste synchron laufende Drehstrommaschine vorliegt, wobei das System mit einer Strommessung in einer der besagten Varianten ausgeführt ist und die Strommessungen einem Rechner zugeführt werden, die die Auswertungen nach der Theorie der symmetrischen Komponenten vornimmt und als Ergebnis zumindest die Rotorlage, oft auch die Rotordrehzahl und gegebenenfalls eine Lastmomentschätzung oder weitere Zustandsgrößen für die feldorientierte Regelung, welche auf dem Rechnersystem The circuit arrangement according to the invention is characterized in that there is a synchronously running three-phase machine fed by a converter, wherein the system is designed with a current measurement in one of the said variants and the Current measurements are fed to a computer that performs the evaluations according to the theory of symmetrical components and as a result at least the rotor position, often the rotor speed and possibly a load torque estimate or other state variables for field-oriented control, which on the computer system
implementiert ist, zur Verfügung stellt. is implemented, provides.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung da rgestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment as shown in the drawing.
Es zeigt: It shows:
Fig. 1 ein Schaltbild zur drehgeberlosen Ermittlung der Rotorposition einer synchron laufenden Drehstrommaschine, in vereinfachter, schematischer Darstellung. Fig. 1 is a circuit diagram for the encoderless determination of the rotor position of a synchronously running three-phase machine, in a simplified, schematic representation.
In Fig. 1 wird ein mit einem Zwischenkreiskondensator 2 ausgestatteter Umrichter mit Zwischenkreisspannung zwischen den Anschlusspunkten 3a und 3b über einen vorzugsweise dreiphasigen Wechselrichterteil 1 mit einer synchron laufenden elektrischen Maschine 4 verbunden. Eine Stromerfassungseinheit 5 führt die erfassten Ströme einer Strom- und Stromanstiegsauswertung 6 in einer Recheneinheit 7 zu, welche einerseits die In FIG. 1, a converter equipped with a DC link capacitor 2 with DC link voltage between the connection points 3a and 3b is connected via a preferably three-phase inverter part 1 to a synchronously running electric machine 4. A current detection unit 5 supplies the detected currents to a current and current rise evaluation 6 in a computing unit 7, which on the one hand the
ausgewerteten Ströme 8 an eine Stromregelung 9 und andererseits die ausgewerteten Stromanstiege 10 an eine Transformationseinheit 11 weiterleitet. Die evaluated streams 8 to a power control 9 and on the other hand, the evaluated current increases 10 to a transformation unit 11 passes. The
Transformationseinheit 11 transformiert die Stromanstiege 10 ins messrichtungsfeste Koordinatensystem und leitet sie an eine Auswertungseinheit 12 weiter, welche gemäß der Theorie der Symmetrischen Komponenten zumindest eine der Komponenten, welche mit doppelter elektrischer Drehzahl, mit einfacher elektrischer Drehzahl und mit Drehzahl Null umlaufen, auswertet. Transformation unit 11 transforms the current increases 10 in the measuring direction fixed coordinate system and forwards them to an evaluation unit 12, which evaluates according to the theory of symmetrical components at least one of the components which rotate at twice electrical speed, with simple electrical speed and zero speed.
Vorzugsweise wird zumindest jene Komponente ausgewertet, die mit doppelter elektrischer Drehzahl umläuft. Daraus wird dann entsprechend Gleichung GL1 (wie zuvor beschrieben) der Raumzeiger ξΙ Ρ bzw. dessen Real- und Imaginärteil, gemäß den dargelegten Preferably, at least that component is evaluated which rotates at twice the electrical speed. From this then according to equation GL1 (as described above) the space vector ξΙ Ρ or its real and imaginary part, according to the explained
Vorschriften, berechnet und der doppelte elektrischen Drehwinkel 13 berechnet. Dabei ist es auch möglich, dass der Raumzeiger ξΕΜΚ ebenfalls ausgewertet wird, sodass sich daraus der einfache elektrische Drehwinkel 14 ergibt. Erfolgt auch noch eine Auswertung der Regulations, calculated and the double electrical rotation angle 13 calculated. It is also possible that the space vector ξΕΜΚ is also evaluated, so that it results in the simple electrical rotation angle 14. If also an evaluation of the
Nullkomponente, so liefert diese die mittlere inverse differenzielle Induktivitätskennzahl ξο 15, welche zur Motorüberwachung in einer optionalen Überwachungseinheit 25 verwendet werden kann. Die ermittelten Winkelinformationen werden, vorzugsweise über ein Zero component, this provides the mean inverse differential inductance ξο 15, which may be used for engine monitoring in an optional monitoring unit 25. The determined angle information is, preferably via a
Zustandsmodell 16, welches neben einem verbessertem elektrischen Drehwinkel 17 auch die Drehzahl 18 und optional weitere Größen 19, vorzugsweise das Lastmoment und/oder die Winkelbeschleunigung der Motorwelle ermittelt, der feldorientierten Regelung 20 zur Verfügung gestellt. Diese feldorientierte Regelung 20 berechnet aufgrund ihrer Sollwerte (z.B. Drehzahl, Drehmoment) gemäß dem implementierten Regelalgorithmus Stromsollwerte 21 und liefert diese als Sollwerte an die Stromregelung 9, welche daraus unter Verwendung der ausgewerteten Ströme 8 einen Sollspannungsraumzeiger 22 berechnet. Dieser wird in der beschriebenen PWM-Einheit 23 in ein Pulsmuster umgesetzt, welches ausschließlich aktive Spannungsraumzeiger verwendet und das die Ha lbbrücken des Wechselrichterteils 1 über Ansteuerbefehle 24 steuert. State model 16, which in addition to an improved electrical rotation angle 17 and the rotational speed 18 and optionally further sizes 19, preferably the load torque and / or the angular acceleration of the motor shaft determined, the field-oriented control 20 is provided. On the basis of its setpoint values (for example speed, torque), this field-oriented control 20 calculates current setpoint values 21 according to the implemented control algorithm and supplies these as setpoint values to the current control 9, which calculates therefrom a setpoint voltage space pointer 22 using the evaluated currents 8. This is implemented in the described PWM unit 23 in a pulse pattern, which uses only active voltage space pointer and controls the Ha lbbrücken the inverter part 1 via control commands 24.
Wesentlich bei der Erfindung ist, dass die Maschine 4 drehgeberlos bzw. positionssensorlos ausgebildet ist und die Regelung und Steuerung nur über die Stromerfassung erfolgt. Eine allfällig vorhandene Spannungsmessung kann zur Verbesserung der Genauigkeit der Auswertung optional verwendet werden. Dadurch wird ein sehr kostengünstiger und einfacher Aufbau für die Maschine 4 erreicht. It is essential in the invention that the machine 4 is designed without a rotary encoder or position sensor and the control and regulation takes place only via the current detection. Any existing voltage measurement can optionally be used to improve the accuracy of the evaluation. As a result, a very inexpensive and simple construction for the machine 4 is achieved.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur drehgeberlosen Ermittlung der Rotorposition einer synchron laufenden Drehstrommaschine in Fig. 1 beschrieben, die über einen Umrichter gespeist wird. Die erfassten Stromanstiege 10 werden in ein messrichtungsfestes In accordance with the invention, a method is described for determining the rotor position of a synchronously running three-phase machine in FIG. 1, which is supplied by a converter. The detected current increases 10 are in a measuring direction fixed
Koordinatensystem transformiert und gemäß Theorie der symmetrischen Komponenten zumindest eine der aus diesen Stromanstiegen 10 berechneten Komponenten ausgewertet. Die Komponenten laufen dabei mit doppelter elektrischer Drehzahl, einfacher elektrischer Drehzahl und mit Drehzahl Null um. Vorzugsweise wird die bis Drehzahl Null funktionierende und mit doppelter elektrischer Drehzahl umlaufende Komponente und daraus nach bekannten Methoden der Mathematik die elektrische Rotorposition bestimmt Coordinate system transformed and evaluated according to the theory of symmetrical components at least one of the calculated from these current increases 10 components. The components run with double electrical speed, simple electrical speed and zero speed. Preferably, the working up to zero speed and rotating at twice the electrical speed component and therefrom by known methods of mathematics, the electrical rotor position is determined
Eine derartige Messung und Auswertung kann wie folgt erfolgen: Legt man einen Spannungsraumzeiger u+ (Umrichterstellung 1/0/0 des Wechselrichters 1) an die Maschine an, so reagiert sie mit einem Stromanstiegsraumzeiger (Δi/Δt)u+ = ξυ . (Messrichtung des Spannungsraumzeigers u = 0° im statorfesten Koordinatensystem α,β ). Der Stromanstiegsraumzeiger (Δi/Δt) ist bekanntermaßen definiert als (Δi/Δt) =2/3*{(Δiu/Δt) + (Δiv/Δt)*exp (+j*120°) + (Δiw/Δt)*exp (-j*120°)} mit den jeweiligen möglichst zeitgleich zu ermittelnden Stromanstiegen (Δiu/Δt) in Strang u, (Δiν/Δΐ) in Strang v und (Δiw/Δt) in Strang w. Such a measurement and evaluation can be carried out as follows: If one applies a voltage space vector u + (inverter position 1/0/0 of the inverter 1) to the machine, it reacts with a current increase space vector (Δi / Δt) u + = ξυ. (Measuring direction of the voltage space vector u = 0 ° in the stator-fixed coordinate system α, β). The current increase space pointer (Δi / Δt) is known to be defined as (Δi / Δt) = 2/3 * {(Δiu / Δt) + (Δiv / Δt) * exp (+ j * 120 °) + (Δiw / Δt) * exp (-j * 120 °)} with the respective current increases (Δiu / Δt) in line u, (Δiν / Δΐ) in line v and (Δiw / Δt) in line w.
Legt man einen Spannungsraumzeiger v+ (Umrichterstellung 0/1/0) an die Maschine 4 an, so reagiert sie mit einem Stromanstiegsraumzeiger (Δi/Δt)ν+ = ξν . (Messrichtung v=120°) Legt man einen Spannungsraumzeiger w+ (Umrichterstellung 0/0/1) an die Maschine 4 an, so reagiert sie mit einem Stromanstiegsraumzeiger (Δi/Δt)νν+ = ξνν . (Messrichtung w=240°) If a voltage space vector v + (converter setting 0/1/0) is applied to the machine 4, it reacts with a current increase space vector (Δi / Δt) ν + = ξν. (Measuring direction v = 120 °) If a voltage space vector w + (converter 0/0/1) is applied to the machine 4, it reacts with a current increase space vector (Δi / Δt) νν + = ξνν. (Measuring direction w = 240 °)
Wäre die Maschine 4 im Stillstand und hätte sie keine Achsigkeit sowie keinen Widerstand, so bildeten die Raumzeiger ξυ, ξν, ξw in einem gemeinsamen statorfesten If the machine 4 were at a standstill and had no axis and no resistance, the space vectors ξυ, ξν, ξw formed in a common stator-fixed manner
Koordinatensystem α,β ein um je 120° versetztes Zeigertripel. Stellt man die drei Zeiger in einem„messrichtungsfesten Koordinatensystem" dar (Reelle Achse des messrichtungsfesten Koordinatensystems in Richtung des jeweiligen Mess- Spannungsraumzeigers), so bilden die so dargestellten Raumzeiger ξuu, ξνν, ξww für den Fall „Maschine 4 im Stillstand, keine Achsigkeit sowie kein Widerstand" drei parallele, gleich lange Zeiger in der reellen Achse. Wäre die Maschine 4 im Stillstand und hätte eine Achsigkeit (kleinere I nduktivität der Statorspulen z.B. in d-Richtung des Rotors (d-Achse achsparallel zur betrachteten Coordinate system α, β a pointer triplet offset by 120 ° each. If one represents the three pointers in a "measuring direction fixed coordinate system" (real axis of the measuring direction fixed coordinate system in the direction of the respective measuring voltage space vector), then the space vector shown ξuu, ξνν, ξww form for the case "machine 4 at a standstill, no Achsigkeit and no resistance "three parallel, equally long hands in the real axis. If the machine 4 were at a standstill and had an axis (smaller inductance of the stator coils, for example, in the d-direction of the rotor (d-axis parallel to the axis
Statorspulenachse), größere Induktivität in q-Richtung des Rotors), würden die drei Stator coil axis), larger inductance in the q direction of the rotor), the three would
Raumzeiger ξuu, ξνν, ξww eine zusätzliche, mit der doppelten Rotorlage etwa cosinusförmig variierende Länge aufweisen. Die Abhängigkeit von der doppelten Rotorlage kann man sich leicht erklären, da die hohe I nduktivität zweimal pro elektrischer Umdrehung auftritt (in positiver und negativer q-Achse), analog die niedrige I nduktivität in positiver und negativer d-Achse. (Die Definition der Richtung der d-Achse ist an sich beliebig, aber fest bezüglich des Rotors). Würde sich die Maschine 4 drehen und hätte keine Achsigkeit (Induktivitäten der Space vector ξuu, ξνν, ξww have an additional, with the double rotor position about cosinusförmig varying length. The dependence on the double rotor position can easily be explained, since the high inductance occurs twice per electrical revolution (in the positive and negative q-axis), analogously the low inductivity in the positive and negative d-axis. (The definition of the direction of the d-axis is in itself arbitrary, but fixed with respect to the rotor). Would the machine 4 rotate and have no axis (inductances of
Statorspulen unabhängig von der Rotorposition), so erzeugt eine Rotormagnetisierung (bei permanentmagneterregten und elektrisch erregten Maschinen) bzw. ein rotororientierter Betriebsstrom über dem Statorwiderstand (bei permanentmagneterregten, elektrisch erregten und reluktanten Maschinen) Spannungskomponenten in den Statorspulen, die synchron mit der Rotorlage umlaufen und entsprechende Stromanstiegsanteile, die ebenfalls synchron mit der einfachen Rotorlage der Maschine 4 umlaufen. Die drei Raumzeiger ξuu, ξνν, ξww würden in diesem Fall eine zusätzliche, mit der einfachen Rotorlage etwa cosinusförmig variierende Länge aufweisen. Lässt man nun eine achsige Maschine 4 rotieren, so überlagern sich beide Effekte und die Raumzeiger ξuu, ξνν, ξww enthalten einen in allen drei Zeigern gleichen Offsetanteil ξο, einen mit Rotordrehzahl umlaufenden Anteil ξΕΜΚ und einen mit doppelter Rotordrehzahl umlaufenden Anteil ξΙΝΡ . Stator coils irrespective of the rotor position), a rotor magnetisation (in the case of permanent magnet-excited and electrically excited machines) or a rotor-oriented operating current over the stator resistance (in the case of permanent-magnet excited, electrically excited and reluctant machines) generates voltage components in the stator coils which rotate synchronously with the rotor position and correspondingly Current increase shares, which also rotate synchronously with the simple rotor position of the machine 4. In this case, the three space vectors ξuu, ξνν, ξww would have an additional, approximately cosinusoidally varying length with the simple rotor position. If one then rotates an axis machine 4, then both effects are superimposed and the space vectors ξuu, ξνν, ξww contain an offset component ξο that is the same in all three hands, a component rotating with rotor speed ξΕΜΚ and a component rotating at twice the rotor speed ξΙΝΡ.
In Anlehnung an die bekannten Rechenregeln für symmetrische Komponenten [Oswald, B.: "Berechnung von Drehstromnetzen - Berechnung stationärer und nichtstationärer Vorgänge mit Symmetrischen Komponenten und Raumzeigern". Vieweg + Teubner, 2009, ISBN 978-3- 8348-0617-8] können die genannten 3 Komponenten (im Folgenden„INFORM-Raumzeiger", „EMK-Raumzeiger" und„Mittlere inverse differenzielle Induktivitätskennzahl" genannt) wie folgt ermittelt werden: Based on the well-known calculation rules for symmetrical components [Oswald, B .: "Calculation of three-phase networks - calculation of stationary and non-stationary processes with symmetrical components and space vectors". Vieweg + Teubner, 2009, ISBN 978-3- 8348-0617-8], the following 3 components (hereinafter referred to as "INFORM space vector", "EMK space vector" and "mean inverse differential inductivity index") can be determined as follows:
„INFORM-Raumzeiger" ξΙΝΡ = 1/3 *[ t,uu + ξνν*θχρ (-j*120°) + ξww *exp(+j*120°)] (1) "INFORM space vector" ξΙΝΡ = 1/3 * [t, uu + ξνν * θχρ (-j * 120 °) + ξww * exp (+ j * 120 °)] (1)
„EMK-Raumzeiger" ξΕΜΚ = 1/3 *[ t,uu + ξνν*θχρ (+j*120°) + ξww *exp(-j*120°)] (2) "EMF space vector" ξΕΜΚ = 1/3 * [t, uu + ξνν * θχρ (+ j * 120 °) + ξww * exp (-j * 120 °)] (2)
„Mittlere inverse differenzielle Induktivitätskennzahl" ξο = l/3*[ ξuu + ξνν + ξνννν] (3) "Mean Inverse Differential Inductive Index" ξο = l / 3 * [ξuu + ξνν + ξνννν] (3)
Das Argument des komplexen INFORM-Raumzeigers ξΙΝΡ entspricht der doppelten The argument of the complex INFORM space vector ξΙΝΡ is twice as big
Rotorposition 2γ, üblicherweise noch zu korrigieren um einen messtechnisch oder durch ein Modell zu ermittelnden last- und drehzahlabhängigen Korrekturterm Rotor position 2γ, usually still to be corrected by a metrologically or by a model to be determined load and speed-dependent correction term
2γ= arg(ξΙΝ F ) + ΔylNF(Last, Drehzahl) (4) Der Betrag des komplexen IN FORM-Raumzeigers ξΙΝ Ρ ist weitgehend drehzahlunabhängig, und daher kann der komplexe IN FORM-Raumzeiger ξΙ ΝΡ vorzugsweise bei kleinen 2γ = arg (ξΙΝ F) + ΔylNF (load, speed) (4) The amount of the complex IN FORM space vector ξΙΝ Ρ is largely independent of speed, and therefore the complex IN FORM space vector ξΙ ΝΡ may preferably be small
Drehzahlen ausgewertet werden.  Speeds are evaluated.
Das Argument des komplexen EMK-Raumzeigers ξΕΜΚ entspricht der einfachen The argument of the complex emf space vector ξΕΜΚ corresponds to the simple one
Rotorposition γ, gegebenenfalls noch zu korrigieren um einen messtechnisch oder durch ein Modell zu ermittelnden last- und drehzahlabhängigen Korrekturterm γ= argftEMK ) + AvEMK(Last, Drehzahl) (5)  Rotor position γ, if necessary to be corrected by a load-dependent and speed-dependent correction term γ = argftEMK) + AvEMK (load, speed) (5)
Der Betrag des komplexen EMK-Raumzeigers ξΕΜΚ zufolge der induzierten Spannung sinkt mit fallender Drehzahl, und daher kann der komplexe EMK-Raumzeiger ξΕΜΚ vorzugsweise bei höheren Drehzahlen ausgewertet werden. The amount of the complex EMF space vector ξΕΜΚ due to the induced voltage decreases with decreasing speed, and therefore, the complex EMF space vector ξΕΜΚ can be evaluated preferably at higher speeds.
Die mittlere differenzielle Induktivitätskennzahl ξο kann zur Überwachung des The mean differential inductance factor ξο can be used to monitor the
Betriebspunktes oder zur Erkennung von Fehlern oder unzulässigen  Operating point or to detect errors or impermissible
Parameterkonstellationen (Impedanzen), etwa zur Erkennung von Windungskurzschlüssen, Wicklungsunterbrechungen etc. verwendet werden. Die gemessenen Stromanstiegsraumzeiger haben im messrichtungsfesten  Parameter constellations (impedances), such as for the detection of Windungs Kurzschlüssen, winding interruptions, etc. are used. The measured current rise space pointers have in the measuring direction fixed
Koordinatensystem folgende Real- und Imaginärteile (Anmerkung: ,,sqrt(3)" bedeutet die Wurzel aus 3):  Coordinate system following real and imaginary parts (note: "sqrt (3)" means the root of 3):
Damit liefert Gleichung GL1: Thus, equation GL1 provides:
Das Argument arg^lNF) kann durch Arcustangensbildung atan (ImßlNF} / ReßlNF} ) berechnet und in Gleichung (4) zur Berechnung des doppelten Rotorwinkels herangezogen werden.  The argument arg ^ lNF) can be calculated by arctangent formation atan (ImßlNF} / ReßlNF}) and used in equation (4) to calculate the double rotor angle.
Weiters liefert Gleichung GL2: Furthermore, equation GL2 provides:
Das Argument arg(ξEMK) kann durch Arcustangensbildung atan (Ιιτι{ξΕΜΚ} / Re{ξEMK} ) berechnet und in Gleichung (5) zur Berechnung des einfachen Rotorwinkels herangezoge werden.  The argument arg (ξEMK) can be calculated by arctangent formation atan (Ιιτι {ξΕΜΚ} / Re {ξEMK}) and used in equation (5) for the calculation of the simple rotor angle.
Falls die Stromanstiegsmessungen unvollständig erfasst werden, vorzugsweise falls nur die messrichtungsparallelen Stromanstiege erfasst werden, können jene Terme in Rei^lNF} und Imi^lNF}, welche nicht-messrichtungsparallele Stromanstiege enthalten, näherungsweise durch Modellierung von ReßEMK} und Ιιτι{ξΕΜΚ} als mit der einfachen If the current rise measurements are incompletely detected, preferably if only the measurement direction-parallel current increases are detected, those terms in RINFN and IMIlNF that contain non-mesa-parallel current increments can be approximated by modeling RssEMK and Ιιτι {ξΕΜΚ} as the simple one
Winkelgeschwindigkeit umlaufende cosinus- bzw. sinusförmige Funktionen berücksichtigt werden, die über ström- und drehzahlabhängige Parametrierung festgelegt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Referenzmessung ermittelt werden. Dies ermöglicht eine gute Erfassung des doppelten Rotorwinkels auch bei Strom- bzw. Stromanstiegserfassung ausschließlich im Zwischenkreis. In vorteilhafter Weise ermittelt die Erfindung die Rotorposition einer Umrichter gespeisten synchron laufenden Drehstrommaschine ohne teure und ausfallsanfällige mechanische Drehgeber, wobei für die Stromregelung ausschließlich in drei unterschiedliche Angular velocity considered circumferential cosine or sinusoidal functions which are defined via flow- and speed-dependent parameterization. This can be determined for example by a reference measurement. This allows a good detection of the double rotor angle even with current or current increase detection only in the DC link. Advantageously, the invention determines the rotor position of a converter fed synchronously running three-phase machine without expensive and failure-prone mechanical rotary encoder, wherein for the current control exclusively in three different
Raumzeigerrichtungen wirkende aktive Umrichterzustände ohne Kurzschlusszustände verwendet werden. Dabei werden Stromanstiege der Phasenströme während dieser aktiven Umrichterzustände erfasst und in ein messrichtungsfestes Koordinatensystem transformiert. Messrichtungsfest bedeutet dabei, dass der aktuelle von der Stromregelung vorgegebene Spannungsraumzeiger gleichzeitig auch als Messraumzeiger verwendet wird und die Basis für ein Koordinatensystem bildet, das seine reelle Achse in eben dieser Messrichtung aufweist. Room zoom directions acting active converter states are used without short circuit conditions. In this case, current increases of the phase currents are detected during these active converter states and transformed into a measuring direction-fixed coordinate system. Measuring direction fixed means that the current voltage regulation pointer preset by the current regulation is simultaneously used as a measurement space vector and forms the basis for a coordinate system which has its real axis in just this measurement direction.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird gemäß der Theorie der symmetrischen In one embodiment of the invention is according to the theory of symmetric
Komponenten zumindest eine der aus diesen Stromanstiegen 10 berechneten Components at least one of the calculated from these electricity increases 10
Komponenten, welche mit doppelter elektrischer Drehzahl, einfacher elektrischer Drehzahl und mit Drehzahl Null umlaufen, vorzugsweise die bis Drehzahl Null funktionierende und mit doppelter elektrischer Drehzahl umlaufende Komponente ausgewertet und daraus nach bekannten Methoden der Mathematik die elektrische Rotorposition bestimmt wird. Dies bietet den großen Vorteil, dass gut auswertbare Stromanstiege ohne zusätzliche Components which rotate at twice the electrical speed, simple electrical speed and zero speed, preferably evaluated to zero speed working and rotating at twice the electrical speed component and the electric rotor position is determined from this by known methods of mathematics. This offers the great advantage that well analyzable current increases without additional
Messimpulse vorliegen, welche eine Auswertung im gesamten Betriebsbereich einschließlich Stillstand zulassen. Measuring pulses are present, which allow an evaluation in the entire operating range including standstill.
Die Erfassung der Stromanstiege 10 kann in verschiedenen Topologien erfolgen. The detection of the current increases 10 can take place in different topologies.
Beispielsweise werden in einer Ausgestaltung der Erfindung die Stromanstiege 10 zumindest in zwei Phasen zwischen dem Ausgang der Halbbrücken und dem Motoranschluss erfasst. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass sehr viele Industrieumrichter eine derartige Stromerfassung aufweisen. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass durch entsprechende Anpassung des For example, in one embodiment of the invention, the current increases 10 are detected at least in two phases between the output of the half bridges and the motor terminal. This arrangement offers the advantage that many industrial inverters have such current detection. Of course it is also possible that by appropriate adaptation of the
Wechselrichters 1 auch eine Vollbrücke eingesetzt werden kann. Inverter 1 also a full bridge can be used.
Der Ordnung halber wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsvarianten beschränkt ist, sondern auch weitere Ausbildungen beinhalten können. For the sake of order, it should be noted that the invention is not limited to the illustrated embodiments, but may also include further embodiments.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur drehgeberlosen Ermittlung der Rotorposition einer synchron laufenden Drehstrommaschine (4), die über einen Umrichter (3) gespeist ist, wobei für die Stromregelung in unterschiedliche Raumzeigerrichtungen wirkende aktive 1. A method for the encoderless determination of the rotor position of a synchronously running three-phase machine (4), which is fed via an inverter (3), wherein active for the current control in different room pointer directions active
Umrichterzustände ohne Kurzschlusszustände verwendet werden und Stromanstiege (10) der Phasenströme während dieser aktiven Umrichterzustände erfasst werden, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Stromanstiege (10) in einer  Inverter states are used without short circuit conditions and current increases (10) of the phase currents are detected during these active converter states, characterized in that the detected current increases (10) in a
Rechnereinheit (7) in ein messrichtungsfestes Koordinatensystem und weiter in symmetrische Komponenten transformiert werden und zumindest eine der aus diesen Stromanstiegen (10) berechneten symmetrischen Komponenten, welche mit doppelter elektrischer Drehzahl, einfacher elektrischer Drehzahl und mit Drehzahl Null umlaufen, zur Rotorpositionsbestimmung herangezogen wird, wobei zumindest die bis Drehzahl Null funktionierende und mit doppelter elektrischer Drehzahl umlaufende symmetrische Komponente ausgewertet und daraus die elektrische Rotorposition der Maschine (4) bestimmt wird.  Computing unit (7) are transformed into a coordinate direction fixed coordinate system and further into symmetrical components and at least one of these current increases (10) calculated symmetrical components, which rotate at twice electrical speed, simple electrical speed and zero speed, is used for rotor position determination, wherein at least the up to zero speed working and rotating at twice the electrical speed symmetrical component evaluated and from this the electric rotor position of the machine (4) is determined.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromanstiege 2. The method according to claim 1, characterized in that the current increases
zumindest in zwei Phasen zwischen dem Ausgang der Halbbrücken (u, v, w) und dem Motoranschluss erfasst werden.  be detected at least in two phases between the output of the half-bridges (u, v, w) and the motor terminal.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromanstiege (10) in den Fußpunkten von mindestens zwei Halbbrücken (u, v, w) erfasst werden. 3. The method according to claim 1, characterized in that the current increases (10) in the bases of at least two half-bridges (u, v, w) are detected.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromanstiege (10) im Zwischenkreis des Umrichters erfasst werden. 4. The method according to claim 1, characterized in that the current increases (10) are detected in the intermediate circuit of the inverter.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur mit doppelter elektrischer Drehzahl umlaufenden Komponente auch die mit einfacher elektrischer Drehzahl umlaufende Komponente ausgewertet wird. 5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that in addition to the rotating with double electrical speed component and the peripheral element with a simple electrical speed component is evaluated.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei unvollständiger Erfassung der Stromanstiege (10), vorzugsweise 6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that when incomplete detection of the current increase (10), preferably
ausschließlicher Erfassung der messrichtungsparallelen Stromanstiegsraumzeiger- komponenten die Wirkung der nicht erfassten vorzugsweise nicht- messrichtungsparallelen Stromanstiegsraumzeigerkomponenten durch eine  exclusive detection of the measuring direction parallel current increase space pointer components, the effect of the unrecognized, preferably not masstrichtungsparallelen Stromstiegsraumzeigerkomponenten by a
Ersatzfunktion, welche die mit einfacher Rotordrehzahl umlaufende ström- und drehzahlabhängige symmetrische Komponente nachbildet, näherungsweise berücksichtigt wird.  Replacement function that simulates the circulating with simple rotor speed flow and speed-dependent symmetrical component is approximately taken into account.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die nach den Regeln der symmetrischen Komponenten ermittelten Größen einer Recheneinheit zugeführt werden, die daraus zumindest eine der Zustandsgrößen „Rotorlage",„Rotordrehzahl",„Rotorbeschleunigung" und/oder„Lastmoment" errechnet. 7. The method according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the determined according to the rules of the symmetrical components variables of a computing unit are supplied, the at least one of the state variables "rotor position", "rotor speed", "rotor acceleration" and / or Calculated "load torque".
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere inverse differenzielle Induktivitätskennzahl zur Überwachung des Maschinenzustandes im Hinblick auf unzulässige Impedanzverhältnisse verwendet wird. 8. The method according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the mean inverse differential inductance index is used to monitor the machine state with regard to impermissible impedance ratios.
9. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerfassungseinheit (5) mit einer Strom- und Stromanstiegsauswertung (6) verbunden ist, die einerseits mit einer Transformationseinheit (11) zur Transformation von Stromanstiegen (10) ins messrichtungsfeste Koordinatensystem verbunden ist und andererseits mit einer Stromregelung (9) zur Übergabe der ausgewerteten Ströme (8) verbunden ist, und dass die Transformationseinheit (11) mit einer Auswertungseinheit (12) zur 9. Circuit arrangement for carrying out the method according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the current detection unit (5) is connected to a current and current increase evaluation (6), on the one hand with a transformation unit (11) for the transformation of current rises ( 10) is connected to the measuring direction fixed coordinate system and on the other hand with a current control (9) for transferring the evaluated streams (8) is connected, and that the transformation unit (11) with an evaluation unit (12) for
Auswertung symmetrischer Komponenten verbunden ist, die wiederum mit einem Zustandsmodell (16) zur Übergabe des doppelten Drehwinkels (13) und  Evaluation of symmetrical components is connected, in turn, with a state model (16) for the transfer of the double angle of rotation (13) and
gegebenenfalls zusätzlich des einfachen Drehwinkels (14) gekoppelt ist und das Zustandsmodell (16) zur Weiterleitung eines Drehwinkel (17), einer Drehzahl (18) und optional einer Größe (19) mit einer feldorientierten Regelung (20) verbunden ist, worauf die Regelung (20) unter Weitergabe von Stromsollwerten (21) mit der Stromregelung (9) verbunden ist und die Stromregelung (9) mit einer ausschließlich aktive Spannungsraumzeiger nützende PWM-Einheit (23), die zur Verarbeitung des vom Stromregler (9) übergebenden Sollspannungsraumzeigers (22) ausgebildet ist, verbunden ist, und diese mit dem Wechselrichterteil (1) zur Steuerung verbunden ist. optionally in addition to the simple angle of rotation (14) is coupled and the state model (16) for forwarding a rotation angle (17), a rotational speed (18) and optionally a variable (19) is connected to a field-oriented control (20), whereupon the control unit (20) is connected to current regulation (9) while passing current command values (21), and the current regulation (9) is connected to a PWM exclusively used for active voltage space Unit (23) formed for processing the current regulator (9) passing the target voltage space pointer (22) is connected, and this is connected to the inverter part (1) for control.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 10. Circuit arrangement according to claim 9, characterized in that the
Auswertungseinheit (12) zur Übergabe der inversen Induktivitätskennzahl (15) mit der Überwachungseinheit (25) verbunden ist.  Evaluation unit (12) for transferring the inverse inductance index (15) to the monitoring unit (25) is connected.
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